压力容器的制作方法

本发明涉及一种尤其是用于机动车辆的压力容器，用于容纳加压气体和/或液体，尤其是加压氢气和/或天然气。本发明还涉及一种生产相应的压力容器的方法。

背景技术：

压力容器用于储存加压气体和/或加压液体。例如，压力容器已被用于天然气驱动的机动车辆中。另外，已经有填充加压氢气的用于机动车辆的压力容器。氢气能在内燃机中与氧气燃烧或者能与氧气反应以提供燃料电池中的水，在此情况下，所获得的电能被供给到蓄电池或电动机。

相应的压力容器必须经受巨大应力。天然气的压力容器例如填充有高达250巴的压力。氢气的压力容器填充高达700巴的压力。

EP0 810 081 A1公开了一种压力容器，其包括连接元件和内部容器以及包围该内部容器的支撑壳体。连接元件包括呈套筒形式的颈部和肩部并且通过其外表面连接到内部容器的内表面。内部容器以这样的方式结合到支撑壳体，即内部容器在到连接元件的结合区域中以三明治状方式设置在连接元件和支撑壳体之间。压力容器具有由连接元件的呈套筒形式的颈部划界的孔口。连接元件的颈部还具有供阀单元拧进的内螺纹，该阀单元可连接到供给线。

由于压力容器上变化的压应力，因此尤其在连接元件到内部容器的结合区域中这些压力容器承受特别高的应力。此外，压力容器尤其是在事故的情况下必须经受非常高的应力。在使压力容器落到连接元件上的跌落试验的情况下，巨大的应力出现在附接元件和内部容器之间的结合表面处。

在从EP 0 810 081 A1已知的压力容器的情况下，变化的压应力的效果在于连接元件和内部容器之间的结合表面遭受巨大的剪切力并且连接元件能从内部容器相对容易地分离。同样适用于使压力容器落到附接元件上的跌落试验。在相应的跌落试验的情况下，连接元件变得相对容易从内部容器分离，这导致氢气或天然气从压力容器逸出。此外，从EP 0 810 081 A1已知的压力容器具有以下问题，即超过施加在连接元件上的特定扭矩时，连接元件变得从内部容器分离，并且因此在该情况下氢气或天然气也从压力容器逸出。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供更稳定的压力容器。本发明的另一个目的是提供一种改进的生产相应的压力容器的方法。

本发明的目的通过具有权利要求1的特征的压力容器实现。另外，本发明的目的通过具有权利要求7的特征的方法实现。

更具体地，本发明的压力容器包括连接元件、内部容器以及包围该内部容器的支撑壳体。连接元件包括呈套筒形式的颈部和肩部。另外，连接元件通过其外表面结合到内部容器的内表面。内部容器继而以这样的方式结合到支撑壳体，即内部容器以三明治状方式至少设置在连接元件和支撑壳体之间的部分中。压力容器具有至少一个由连接元件的颈部划界的孔口。本发明的压力容器的独特特征在于连接元件的面向内部容器的外表面至少部分地具有大于50μm的平均粗糙度。连接元件的外表面是与内部容器相对布置的表面。

平均粗糙度指的是表面上的测量点距中点线的平均距离。中点线在参考区内与连接元件的实际轮廓相交，使得轮廓偏差的总和基于中点线最小化。平均粗糙度因此对应于距中点线的偏差的算术平均值。

连接元件的外表面的平均粗糙度优选地在50μm和1000μm之间，进一步优选地在50μm和500μm之间，进一步优选地在80μm和250μm之间，并且最优选地大于120μm。

连接元件可以由金属、尤其是铝制造。内螺纹可以设置在连接元件的套筒状颈部内，以便拧进例如阀单元中。

内部容器优选地是吹塑内部容器。内部容器优选地采取多层内部容器的形式并且可以包括例如由HDPE(高密度聚乙烯)构成的外层、例如由LDPE(低密度聚乙烯)构成的助粘剂、例如由EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)构成的阻挡层、例如由LDPE构成的另一助粘剂、以及由HDPE构成的内层。内部容器的其他层系统也是可能的；在这方面，对于内部容器的层结构没有限制。

支撑壳体尤其可以由碳纤维增强塑料形成。优选地，支撑壳体由碳纤维增强的热塑性塑料构成。

内部容器还可以称为衬套和/或内部壳体和/或衬里和/或内衬里。支撑壳体也可以称为外护套。连接元件也可以称为连接凸缘和/或插入件和/或附接件和/或端件。

由于大于50μm的外表面的平均粗糙度，连接元件的与内部容器接触的表面积增大，使得连接元件更稳定地结合到内部容器。与现有技术已知的压力容器相比，连接元件上的轴向耐久性和径向应力两者都增大，这是因为连接元件到内部容器的结合强度增大。

优选地，连接元件的外表面至少部分地设有热塑性塑料的涂层。热塑性塑料可以例如是聚乙烯，尤其是低密度聚乙烯(LDPE)。通过用热塑性塑料涂覆连接元件的外表面，可以用热塑性材料特别有效地填充连接元件的外表面中的凹陷，使得连接元件的可利用的结合表面或连接元件的外表面能被特别有效地利用。而且，连接元件的外表面的涂层能进入结合操作中与压力容器的内部容器的粘合结合。所有这些导致连接元件和内部容器之间的结合的另一加强。

在将热塑性塑料构成的涂层涂覆到连接元件的外表面时，其比连接元件的外表面的平均粗糙度更薄，外表面的多个部分突出到所涂覆的涂层之外，使得外表面的这些部分在连接元件结合到内部容器时，除粘合结合之外，形成到内部容器的形式配合。

优选地，连接元件的颈部的外表面具有至少一个沿该颈部的周向延伸的周向槽。该外表面当然也可以具有多个相应的周向槽。通过周向槽的设置，连接元件到内部容器的结合被加强，使得连接元件具有较高的轴向应力能力，而没有破坏到内部容器的结合。而且，为了建立连接元件到内部容器的结合，仅轴向施加力到连接元件是必需的。通过平行于连接元件的纵向轴线取向的张力将连接元件拉入或压入热塑性的内部容器。

优选地，涂层完全覆盖连接元件的颈部的整个外表面并且填充至少一个周向槽。这确保了涂层特别有效地与周向槽相互啮合，使得在将涂层结合到内部容器的内表面的过程之后，特别高的力能被传输到连接元件，而没有破坏连接元件和内部容器之间的结合。涂层形成连接元件的连续表面。

优选地，连接元件的肩部的外表面具有至少一个径向槽，该至少一个径向槽具有沿连接元件的径向方向的延伸部件。在连接元件的相应配置的情况下，压力容器在连接元件上的旋转应力下具有较高稳定性。因此可以将较高扭矩施加在连接元件上，而连接元件没有变得从内部容器分离。

优选地，涂层完全覆盖肩部的整个外表面并且填充至少一个径向槽。其效果是径向槽可以吸收在连接元件上的径向应力下增大的力。而且，具有连续涂层表面的相应涂覆的连接元件可以改进的方式结合到内部容器的内表面。

本发明的目的进一步通过生产具有连接元件、内部容器和包围该内部容器的支撑壳体的压力容器的方法来实现，其中该方法包括以下方法步骤：

-将连接元件引入多部件吹塑模，该多部件吹塑模处于打开的接收位置并且该多部件吹塑模在关闭位置形成型腔；

-将管状型坯以连接元件由该管状型坯包围的这样的方式挤压到处于接收位置的吹塑模中；

-关闭吹塑模，使得型坯借助于吹塑模被挤压到连接元件的外表面上；

-通过施加压差使关闭的吹塑模的型腔中的型坯成型以形成内部容器；

-打开吹塑模并且从吹塑模取出内部容器；以及

-用支撑壳体包围内部容器。

本发明的方法的特征在于，在将连接元件引入吹塑模之前，使连接元件的外表面变粗糙，使得其外表面至少部分地具有50μm的平均粗糙度。

优选地，连接元件的外表面通过使用其外表面上的磨料喷砂介质喷砂而变粗糙。喷砂介质可以是任何期望的磨料喷砂介质，例如砂(喷砂)。所用的磨料介质也可以是陶瓷颗粒、钢铁颗粒、钢丸、金刚砂和白金刚砂。借助于利用磨料喷砂介质的喷射的外表面的相应粗糙化以特别简单的方式是可能的并且，此外，通过与例如外表面的蚀刻相比较，不会需要任何潜在危险的蚀刻剂。此外，通过利用磨料喷砂介质喷射，可以获得较高的粗糙度，其结果是，连接元件到内部容器的结合强度增大。此外，连接元件的外表面的粗糙化不需要任何对健康和环境有害的化学蚀刻剂。连接元件的外表面和内部容器的内表面形成亲密的粘合结合。优选地，通过将材料层涂覆到连接元件的外表面来使连接元件的外表面变粗糙。例如通过选择性激光熔化可以实现该涂覆。相应的粗糙化方法提供以下优点，可以选择性地赋予连接元件的外表面的区域不同的粗糙度。

优选地，在连接元件的粗糙化的方法步骤之后并且在引入吹塑模的方法步骤之前，将连接元件的外表面涂覆有热塑性塑料的涂层。如在上已经讨论过的，连接元件的外表面的涂层确保了连接元件的表面特别有效地覆盖有热塑性材料，使得实现了构成涂层的热塑性材料和连接元件的外表面之间的亲密相互啮合。

在将热塑性塑料构成的涂层涂覆到连接元件的外表面时，其中该涂层比连接元件的外表面的平均粗糙度更薄，外表面的多个部分突出到所涂覆的涂层之外，使得外表面的这些部分，在连接元件结合到内部容器时，除粘合结合之外，形成到内部容器的形式配合连接。

优选地，通过产生引导到连接元件的外表面上的等离子体射流，其中形成涂层的热塑性塑料以粉末形式供给到等离子体射流中，利用以等离子体射流横越连接元件的整个外表面的这样的方式进行的等离子体射流和/或连接元件相对于彼此的运动，将涂层涂覆在连接元件的外表面上。

该涂覆方法使得有可能实现可变的涂层厚度。还可以赋予连接元件的各个外表面区域不同的涂层厚度。

形成连接元件的涂层的呈粉末形式的热塑性塑料的颗粒尺寸优选地在1μm和500μm之间，进一步优选地在2μm和400μm之间，进一步优选地在5μm和200μm之间，进一步优选地在10μm和100μm之间并且最优选地在20μm和50μm之间的尺寸范围内。

由于以粉末形式将热塑性塑料供给到等离子体射流中，热塑性塑料至少在表面处被熔化，使得在与至少部分熔化的热塑性塑料接触时，它特别好地适应于连接元件的表面，使得实现了涂层与连接元件的外表面的特别有效的相互啮合。对于等离子体射流，优选使用例如由98.5％的氮气和1.5％的氢气组成的气体。

在连接元件的表面借助于供给到等离子体射流中的热塑性塑料被涂覆的情况下，还可以，在供给热塑性塑料之前，将优选地由与构成连接元件的表面的相同的材料组成的金属粉末注入等离子体射流中，使得金属粉末在至少部分熔化的状态下到达连接元件的表面，这将平均粗糙度增大到期望的程度。

优选地，通过在没有供给热塑性塑料粉末的情况下横过连接元件的表面移动等离子体射流，在涂覆涂层之前借助等离子体射流清洁连接元件的表面，使得污染物被可靠地去除。

附图说明

本发明的更多优点、细节和特征从工作示例变得显而易见并且在下文中阐明。独特的特征显示：

图1：本发明的压力容器的截面的三维示图；

图2：在端盖区域中无支撑壳体的压力容器的截面的三维示图；

图3：在端盖区域中无支撑壳体的本发明的压力容器的截面图，其中连接元件到内部容器的结合从该支撑壳体变得显而易见；

图4：包括已被引入到连接元件的外表面上的径向槽和周向槽的连接元件的示图；

图5：设有涂层的图4所示的连接元件；

图6：包括涂层的图5所示的连接元件的横截面图；以及

图7：用于清洁和涂覆连接元件的涂覆设备。

在现在接着的描述中，相同的附图标记表示相同的部件或相同的特征，使得关于一个图进行的对于一个部件的描述也适用于其他图，并且因此避免了重复描述。

具体实施方式

如从图1显而易见的，发明的压力容器1具有结合到压力容器1的内部容器30的连接元件10。压力容器1还包括包围内部容器30的支撑壳体40。压力容器1具有至少一个由连接元件10的颈部11划界的孔口2。当然还可能的是，压力容器1不仅具有一个孔口2，而且两个孔口设置在压力容器的相对端部区域处，在该情况下两个连接元件10也在两个相对端部区域处结合到内部容器30。

从图1显而易见的是，压力容器1的端部区域设置有呈帽50形式的冲击防护装置50。该帽50将施加在压力容器1上的力轴向分配在更大的区域内。这些具有至少一个轴向方向的力能例如在发生事故或发生压力容器1坠落时出现。

如从图1至图6显而易见的，连接元件10具有呈套筒形式的颈部11和粘合结合到该颈部的肩部13。连接元件10经由其外表面16结合到内部容器30的内表面31。连接元件10的外表面16是结合到内部容器30、更具体地结合到内部容器30的内表面31的区域。

图1示出：内部容器30在压力容器1的孔口2的区域中以这样的方式结合到支撑壳体40，使得内部容器30以三明治状方式布置在连接元件10和支撑壳体40之间。而且，从图1和图2尤其显而易见的是，压力容器1的孔口2由连接元件10的颈部11划界。

连接元件10可以由金属制造。在本工作示例中，连接元件10由铝制造。内部容器30可以由热塑性材料形成。热塑性材料可以具有多层结构，在该情况下，例如，布置在中间的EVOH层可以结合到两个外层，该两个外层借助于两个例如呈LDPE层形式的助粘剂由HDPE构成。支撑壳体40、也可以称为外壳体40由纤维增强塑料形成。更具体地，支撑壳体40可以由CRP(碳增强塑料)形成，在该情况下，塑料优选地是热塑性塑料。

由于压力容器1上变化的压应力，连接元件10和内部容器30、也可以称为内部壳体30或者衬里30或衬垫30之间的结合必须特别稳定。首先由压力容器1的外部压力和内部压力之间的压差引起的轴向力和其次径向力被传输到连接元件，这能导致连接元件10变得通过旋转从压力容器1分离。

为了增大连接元件10和内部容器30之间的结合强度，连接元件10的面向内部容器30的外表面16至少局部地具有大于50μm的平均粗糙度。该平均粗糙度优选地在50μm和1000μm之间。外表面16越粗糙，连接元件10的有效结合面积越大。因此，具有粗糙化外表面16的连接元件10能进入与内部容器30的内表面31的更亲密且粘合的结合。当仍热塑性的内部容器30或仍热塑性的型坯被压到连接元件10的外表面16上时，热塑性材料适应连接元件10的粗糙表面16，使得在连接元件10和内部容器30之间建立稳定的粘合。

连接元件10的外表面16能例如通过将磨料喷砂剂喷射到外表面16来产生。例如，外表面16可以被喷砂处理。另外，可能的是，也采用陶瓷颗粒或钢铁颗粒等、例如钢丸喷射外表面16。在使用磨料喷砂剂的相应喷射的情况下，可以产生具有大于50μm的高平均粗糙度的非常粗糙的外表面16。通过例如蚀刻方法、如果发生的话，相应高的平均粗糙度仅困难地可行。而且，在通过蚀刻方法使外表面粗糙化的情况下，必须使用相应有害的化学物质。

另外，可以通过将材料层涂覆于连接元件10的外表面16来实现连接元件10的外表面16的粗糙化。材料可以例如通过选择性激光熔化来涂覆。例如，可以将铝粉末喷射到连接元件10的外表面16上，同时使用高功率的激光束照射铝粉末与外表面16的接触区域，使得铝颗粒至少在表面处熔化，使得它们能够与外表面16的粘合。

如特别是从图3和图4显而易见的，多个沿颈部11的周向方向延伸的周向槽12可以形成在连接元件10的颈部11的外表面16上。另外，多个径向槽14可以形成在连接元件10的肩部13的外侧16上，在该情况下径向槽14具有沿连接元件10的径向方向的延伸部件。由于将仍热塑性的型坯30压到连接元件10的外表面16上，因此热塑性材料填充周向槽12和径向槽14，使得实现了连接元件10和内部容器30之间更稳定的结合。通过设置周向槽12，更大的轴向力可以施加在连接元件10上，而没有破坏连接元件10和内部容器30之间的结合。径向槽14的效果在于，更大的扭力可以传输到连接元件10，而没有破坏连接元件10和内部容器30之间的结合。

当然，对于具有周向槽12和径向槽14的图4所示的外表面16还可以通过喷砂方法或通过涂覆方法来粗糙化，使得因此可以实现连接元件10和内部容器30之间更强的结合。

从图5和图6显而易见的是，连接元件10的外表面16已设有热塑性塑料的涂层20。涂层20的热塑性塑料可以例如是聚乙烯，尤其是低密度聚乙烯(LDPE)。

从图5和图6显而易见的是，涂层20的厚度如此大使得所有的周向槽12和所有的径向槽14已填充有涂层20。因此，涂层20形成连续表面，该连续表面可以粘合到内部容器30的内表面31。通过将涂层20涂覆在连接元件10的外表面16上，对于外表面16中由外表面的粗糙化引起的不平坦点可以由涂层20的热塑性材料特别好地填充，使得带来涂层20和连接元件10之间特别亲密且稳定的结合。涂层20进入与内部容器30的内表面31的粘合，使得以这样的方式实现了连接元件10和内部容器30之间更稳定的结合。

图7示出了用于涂覆连接元件10的外表面16的涂覆设备100。该涂覆设备包括用于产生等离子体射流120的涂覆头110。另外，涂覆设备100包括转台130，待被涂覆的连接元件10固定在该转台130上。涂覆头110还可以布置在移位台上，使得涂覆头能跟随连接元件10的轮廓。优选地，在连接元件10的外表面17的涂覆之前，外表面16由等离子体射流120清洁，因为等离子体射流横越连接元件10的表面。外表面16的该横越使其无污染物。在筛选步骤之后，呈粉末形式的热塑性塑料借助于未示出的供给线被供给到等离子体射流，使得呈粉末形式的热塑性塑料全部或至少部分地在等离子体射流中熔化。至少在表面处已被熔化的塑料颗粒接触连接元件的外侧16并且适应于外表面16。由于等离子体射流和/或连接元件10相对于彼此的运动，等离子体射流横越连接元件10的整个外表面16。这样，可以确保连续涂层20被涂覆在外表面16上。

例如，通过等离子体射流在外表面16上的曲折运动可以实现涂层20在外表面16上的涂覆。另外，还可行的是，涂层由环形涂层轨迹形成。在这方面，对于等离子体射流120相对于外表面16的运动特性没有限制。

这样涂覆的连接元件10能被引入处于打开的接收位置的多部件吹塑模中，并且处于关闭位置的吹塑模形成型腔。接着，管状型坯可以这样的方式被挤压入处于接收位置的吹塑模中，即连接元件10由管状型坯包围。接着，吹塑模能被关闭，使得型坯借助于吹塑模被压在连接元件10的外表面16上。型坯仍处于热塑性状态，并且因此它能够适应于连接元件的轮廓。通过施加压力差，型坯在关闭的吹塑模的型腔中成型。在吹塑模已被打开之后，内部容器30可以从吹塑模被取出并且然后设置有支撑壳体。

附图标记列表：

1 压力容器

2 (压力容器的)孔口

10 连接元件、连接凸缘、插入件、附接件

11 颈部

12 周向槽

13 肩部

14 径向槽

15 内螺纹

16 (连接元件的)外表面

20 涂层

30 内部容器、衬里、内部壳体、衬垫、内衬

31 (内部容器的)内表面

40 支撑壳体、外部壳体(包括纤维增强塑料)

50 冲击防护装置、帽

100 涂覆设备

110 涂覆头

120 等离子体射流

130 转台